Comprendiendo la tecnología detrás de tu SSD: memorias NAND

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Para los novatos o principiantes, puede parece que todos los chips de memoria dentro de los SSD pueden ser iguales. No obstante esa afirmación no puede estar más lejos de la realidad: 2-bit MLC, 3-bit MLC (TLC), síncrona, asíncrona, SLC, ONFI 1.0 y ONFI 2.0… para el consumidor puede parecer un disparate.

La extensión de los SSD trae mejoras y mejoras a un ritmo muy veloz y la decisión de compra es cada vez más complicada. Antes de entender las partes y funcionamiento de un SSD hay que entender qué es una memoria NAND y su proceso de fabricación.

Una diminutiva introducción

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Las memoria flash NAND almacenan los datos en una matriz de celdas de memoria mediante transistores de puerta flotante. Hay dos puertas, la Puerta de Control (GC, Gate Control, arriba) y la puerta flotante (FG, Floating Gate, abajo) aisladas por una capa de óxido.

Los electrones fluyen libremente entre la puerta de control (GC) y el canal (Channel). Cuando se aplica un voltaje a cualquier entidad, los electrones son atraídos en el sentido en el que se aplica la tensión, por lo que, para configurar una celda, se aplica un voltaje en el CG, que atrae electrones hacia arriba.

La puerta flotante, que está eléctricamente aislada por una capa aislante, atrapa electrones a medida que pasan a través de camino a la puerta de control. Pueden permanecer allí años en politicas normales de funcionamiento.

Para eliminar la celda, se aplica un voltaje en el sentido contrario (el canal) mientras la puerta de control está conectada a tierra, repeliendo los electrones de la puerta flotante hasta el canal.

Para confirmar el estado de una celda, se aplica un elevado voltaje a la puerta de control (GC). Si la puerta flotante conserva una determinada carga (los electrones están atrapados allí), la tensión umbral de la celda se altera, afectando a la señal que emana la puerta de control a medida que se desplaza por el canal. La cantidad de corriente requerida para terminar el circuito determina el estado de la celda.

Esta ocupación eléctrica desgasta la estructura física de la celda con el paso del tiempo. Por lo tanto, cada celda posee un tiempo de vida finito, medido en términos comprensibles por el consumidor en ciclos de programado y borrado (P/E cycles) y están de forma directa relacionados con la geometría del proceso (técnica de fabricación) y el número de bits que almacena cada celda. La complejidad del almacenamiento NAND solicita de unos procesos adicionales, incorporando un gestor de bloques defectuosos, el recolector de basura y el corrector de errores. Todos gestionados por el firmware del SSD.

  • Nota: es muy importante que actualicéis continuamente que sea probable el firmware, es un elemento importantísimo en el desempeño del SSD.

SLC, MLC y TLC NAND

La tecnología NAND ha ido evolucionando inmediatamente acorde a las altas demandas de consumidores e industria. Por explicarlo de la forma más sencilla de entender posible, el dato almacenado en una memoria flash NAND está representado por una carga eléctrica almacenada en cada celda. La diferencia entre una NAND Single-Level-Cell (SLC) y una Multi-Level-Cell (MLC) es la cantidad de bits que puede almacenar esa celda al mismo tiempo, es declarar se distinguen niveles en la carga de esa celda y se lee más valores que un 1(uno) o un 0. Las NAND SLC sólo pueden almacenar un bit de info(datos). por cada celda. Tal y como sus nombres indican las memorias NAND MLC pueden almacenar 2(dos) bits de datos o 3(tres) bits de datos.

Para entenderlo lo más fácil es representar las celdas como un “cubo” de electrones.

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La tecnología para discernir el dato es cada vez más compleja a más valores queramos almacenar y leer. Programar una celda con 3(tres) bits (TLC) es más complicado que con 1(uno) bit (SLC).

Ventajas de las memorias NAND MLC

Cuantos más bits puedan ser almacenados al mismo tiempo, más capacidad de datos habrá en el mismo espacio, reduciendo los costes de producción e aumentando la capacidad de producción en las NAND. Este fenómeno permitió y admite que las memorias flash NAND estén cada vez más presentes en los aparatos que usamos. Como podréis intuir la totalidad de SSD vendidos en la actualidad tienen NAND MLC de (2 bit) o TLC (3 bit).

La mejora en cantidad de info(datos). que podemos almacenar en un mismo espacio es sumamente sencilla de ilustrar:

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Imaginad un SSD con memorias NAND SLC de 16Gb (16 mil millones de bits o celdas). Si esos chips fuesen MLC de 2(dos) bit tendríamos una capacidad de almacenamiento de 32Gb y si fuese TLC de 48Gb. Mismo espacio y coste aproximado de fabricación.

Limitaciones de las memorias NAND MLC

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Por supuesto, añadir más bits en cada celda hace que sea más complicado distinguir entre los estados de la misma, lo cual disminuye la fiabilidad, potencia y desempeño de la memoria. Determinar si un “contenedor” está lleno o vacía (SLC) es mucho más simple que definir si está a un 4.º completo, medio completo, a tres cuartos de su capacidad, o completamente lleno (MLC). Puede tomar hasta 4(cuatro) veces más tiempo para escribir y hasta 2,5 veces más tiempo para estudiar en memorias 3(tres) bits MLC NAND que su precursor SLC.

Otro efecto secundario de almacenar más bits por cada celda es el incremento del ratio de degradación de las mismas. El estado de cada celda NAND es determinado por el número de electrones presentes en la puerta flotante. Las capas de óxido que atrapan los electrones en la puerta flotante se desgastan con cada programación y borrado de la celda. Con un enorme desgaste, los electrones empiezan a escapar más a menudo. Esto no era problema en las NAND SLC ya que el estado era lleno o vacío. No obstante con las celdas multi estado la precisión es muy importante, sobre todo en las de 3(tres) bit que requieren diferenciar entre 8(ocho) estados. El problema es que la capa de óxido se hace cada vez más diminutiva con cada avance tecnológico. Menos capa de óxido es menor vida útil de esa memoria.

NAND hoy, NAND en el futuro

Los productores de semiconductores están realizando enormes mejoras en muy poco tiempo para paliar los problemas que genera utilizar la tecnología NAND. Fabricantes como Samsung, uno de los líderes en el crecimiento y producción de semiconductores, han conseguido controladores con un desempeño sublime que no solo alcanzan no empeorar el desempeño de los SSD comparados a la tecnología SLC, sino que han incrementado el desempeño cada año. Los últimos discos duros SSD demuestran que rendimientos y capacidades que creíamos llegarían dentro de muchos años ya están libres para los consumidores.


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